Оригами из ДНК

Вот тебе и пожалуйста. Ещё вчера наносборка казалась сложной процедурой по принципу «атом за атомом». К тому же – весьма дорогостоящей: собирать приходилось в вакууме или при чрезвычайно низких температурах. А теперь выяснилось, что всё гораздо проще и дешевле — учёный научился сгибать ДНК как бумагу.

Молодого исследователя-первооткрывателя зовут Пол Роземунд (Paul W.K. Rothemund). Вместе с коллегами по группе он изучает ДНК и природные алгоритмы (DNA and Natural Algorithms Group) в Калифорнийском технологическом институте (Caltech).

Согласно недавней публикации в журнале Nature, Роземунд называет своё изобретение «ДНК-оригами» («DNA origami») и может создать из молекулярных цепочек любую двухмерную фигуру. Это Пол уже доказал на практике, явив миру несколько своих «художественных работ».


Прежде всего, это карта обеих Америк в масштабе 1 к 200 триллионам. Всё западное полушарие заняло меньше места, чем бактерия, а 50 миллиардов копий этой карты могли бы соответствовать одной капле воды. «Я хотел сделать карту всего мира, но мне не хватило времени, — сокрушается учёный. — Из-за этого я чувствую себя ужасно».


На этой карте 1 нанометр представляет 200 километров (изображение Paul W.K. Rothemund).

Роземунд огорчается напрасно – его сделанная из ДНК карта на сегодняшний день является самым большим и самым сложным объектом наномасштаба, созданным в лаборатории.

Всего же группа Пола сделала с десяток разнообразных форм, включая схематическое изображение двойной спирали, снежинку, цветок, пятиконечную звезду и смайлик.

По словам исследователей, для создания каждой формы требуется месяц планирования и несколько часов непосредственно на изготовление.


Диаметр этого смайлика около 100 нанометров — это в тысячу раз меньше диаметра человеческого волоса (изображение с сайта mobilemag.com).


А здесь — тот же наносмайлик на стадии создания. Учёные «распутали» нуклеотидные нити ДНК, после чего одну из них заставили, многократно изгибаясь, выстроить структуру, похожую на лабиринт. Получилось основание формы, которое скрепляется и «раскрашивается» короткими нитями (изображение Nick Papadakis).

Что ж, перейдём к процессу производства. Сначала Роземунд вычерчивает форму на листе миллиметровки — непрерывной линией рисует подобие лабиринта. После этого «картинка» загружается в компьютер, который высчитывает, сколько понадобится материалов и каков их химический состав.

Затем начинается строительство на подложке. Исследователи берут распутанные нуклеотидные нити, добавляют небольшое количество соли и близкую к точке кипения температуру. В конце концов, элементам ДНК разрешают медленно охладиться, что означает — самостоятельно собраться в заданную форму.

Индивидуальные цепочки сворачиваются на поверхности взад-вперёд по спирали, формируя основу, которая впоследствии скрепляется более короткими нитями (их около 200), играющими также роль «пикселей дисплея» диаметром шесть нанометров. Вот и всё.

Хотя команда Роземунд пока создаёт только двухмерные структуры, Пол говорит, что с 3D-формами не должно возникнуть никаких проблем. Таким образом, новая техника может стать важным инструментом для строительства наноустройств в тысячи раз меньше диаметра человеческого волоса.

«Да, пока это лишь художественные работы, — соглашается Роземунд, — но мы верим, что раз уж нам удалось создать из ДНК формы, то получится и сделать с ними что-нибудь полезное. Кроме того, по пути мы узнаём много нового о самой структуре ДНК».

Учёный надеется, что его метод найдёт применение в электронике, медицине и молекулярной биологии. Одна из потенциальных возможностей — сделанная в наномасштабе «клетка», в которой фармацевты, испытывающие новые препараты, могли бы изолировать ферменты, пока они не будут готовы к «подключению» или «отключению» других белков.


Ещё несколько художеств команды Роземунда (изображение Paul Rothemund/Caltech).

Следует отметить — это не Роземунд придумал использовать ДНК для создания форм. Первенство приписывают Надриану Симэну (Nadrian Seeman) из Нью-йоркского университета (New York University). Другим пионером в данной области считается Эрик Уинфри (Erik Winfree), в группе которого работает Пол.

«В этом исследовании Пол добился нескольких необычных «впервые для человечества», — убеждён Уинфри. — В одной типичной реакции он может сделать приблизительно 50 миллиардов смайликов. Я думаю, что это — самое сконцентрированное счастье из всех когда-либо созданных».

«В некотором смысле он революционер, — подтверждает Симэн. — Его работа, конечно же, изменит те способы, с помощью которых люди делают вещи».

www.membrana.ru